WO2014097951A1 - Ｘ線高電圧装置とそれを用いたｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

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WO2014097951A1
WO2014097951A1 PCT/JP2013/083283 JP2013083283W WO2014097951A1 WO 2014097951 A1 WO2014097951 A1 WO 2014097951A1 JP 2013083283 W JP2013083283 W JP 2013083283W WO 2014097951 A1 WO2014097951 A1 WO 2014097951A1
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voltage
ray
high voltage
frequency
inverter circuit
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Application number
PCT/JP2013/083283
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English (en)
French (fr)
Inventor
美奈 小川
Original Assignee
株式会社 日立メディコ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08—Electrical details
    • H05G1/10—Power supply arrangements for feeding the X-ray tube
    • H05G1/20—Power supply arrangements for feeding the X-ray tube with high-frequency ac; with pulse trains

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray high voltage apparatus including an inverter circuit that converts a DC voltage into a high-frequency AC voltage, and more particularly to a technique for improving the ratio (power factor) of active power to apparent power output to the inverter circuit. Is.
  • a conventional X-ray high-voltage device includes a converter circuit that converts an AC voltage of an AC power supply having a commercial frequency into a DC voltage, and a DC voltage converted by the converter circuit that is higher than the commercial frequency.
  • An inverter circuit that converts high-frequency AC voltage, a high-voltage transformer that boosts an AC voltage that is higher than the commercial frequency converted by the inverter circuit, and an AC voltage boosted by the high-voltage transformer
  • a high-voltage rectifier that rectifies the DC voltage
  • an X-ray tube that supplies a high-voltage DC voltage rectified by the high-voltage rectifier.
  • a power factor improving inductor is connected in parallel to a discharge load on the secondary winding side converted into a high voltage by a transformer. By compensating for the advance of the current phase in the discharge load with respect to the voltage, the power factor of the compensated phase advance is improved.
  • JP 2011-139618 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-035693
  • the power supply device for plasma generation disclosed in Patent Document 2 directly connects a discharge load to the secondary winding of a high voltage transformer.
  • the secondary winding of the high-voltage transformer is connected to the X-ray tube via a high-voltage rectifier.
  • the capacitive load of the discharge load of Patent Document 2 can directly act on the power factor improving inductance, but in the steady state of the X-ray tube, it is a DC load and the inductance (inductive load) is X Connecting to a tube does not contribute to improving the power factor of the inverter circuit.
  • the load differs between the measurement of the scanogram image and the measurement of the tomographic image to determine the imaging position of the tomographic image.
  • the load difference at the time of the measurement is, for example, a load fluctuation of several thousand times.
  • this can be dealt with when the load is light, because the stray capacitance of the secondary winding of the high-voltage transformer and other stray capacitance that appears in parallel to that capacitance have a significant effect.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 do not consider the stray capacitance at all.
  • an object of the present invention is to provide an X-ray high voltage apparatus capable of improving the power factor of an inverter circuit with respect to the stray capacitance of a secondary winding of a high voltage transformer and other stray capacitance that appears parallel to the capacitance.
  • the object is to provide an X-ray CT apparatus using a laser.
  • an AC voltage of a commercial frequency AC power supply is converted into a DC voltage by a converter circuit, and the converted DC voltage is a high frequency AC voltage having a frequency higher than the commercial frequency by an inverter circuit.
  • the converted high-frequency AC voltage is boosted to a high-frequency AC high voltage by a high-voltage transformer, the boosted high-frequency AC high voltage is rectified to a DC high voltage by a high-voltage rectifier, and the rectification is applied to an X-ray tube
  • the DC phase high voltage is supplied, and the inductive load connected between the input terminals of the high voltage rectifier reduces the advance of the current phase with respect to the voltage due to the stray capacitance on the secondary winding side of the high voltage transformer To do.
  • an X-ray high voltage apparatus capable of improving the power factor of the inverter circuit in the stray capacitance of the secondary winding of the high voltage transformer and other stray capacitance that appears in parallel with the capacitance, and the The used X-ray CT apparatus can be provided.
  • FIG. 1 is a circuit configuration diagram of an X-ray high voltage apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • Equivalent circuit used to explain power factor improvement in Example 1, and vector diagram on complex plane
  • Equivalent circuit used for explanation of power factor improvement of Example 2 and vector diagram on complex plane
  • the block diagram which shows the whole structure of the X-ray CT apparatus using the X-ray high voltage apparatus of Examples 1-3
  • FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing Example 1 of the X-ray high voltage apparatus of the present invention.
  • the X-ray fluoroscopic apparatus is based on the stray capacitance under conditions where the X-ray tube load is relatively light, such as fluoroscopic X-ray exposure conditions, and the X-ray CT apparatus is scanogram measurement. An example of improving power factor reduction will be described.
  • the X-ray high voltage device includes a converter circuit 2, an inverter circuit 3, a high voltage transformer 4, an inductive load (resonance inductance) 5, a high voltage rectifier 6, a high voltage cable 7, and an X-ray tube 8. And have.
  • an AC power supply 1 having a commercial frequency of 50 [Hz] or 60 [Hz] is connected to the input terminal, and an input terminal of the inverter circuit 3 is connected to the output terminal.
  • the output terminal of the converter circuit 2 is connected to the input terminal, and the input terminal of the high voltage transformer 4 is connected to the output terminal.
  • the output of the inverter circuit 3 is connected to the input (primary winding) side, and the input terminal of the high voltage rectifier 6 ⁇ is connected to the output (secondary winding) side.
  • the resonant inductance 5 is connected between the input terminals of the high voltage rectifier 6.
  • the output (secondary winding) side of the high voltage transformer 4 is connected to the input terminal, and the X-ray tube 8 is connected to the output terminal.
  • the X-ray tube 8 is connected to the anode side terminal and the cathode side terminal of the output terminal of the high voltage rectifier 6 using a high voltage cable 7.
  • Converter circuit 2 converts the commercial frequency AC voltage of AC power source 1 input to the input terminal of converter circuit 2 into a DC voltage, and converts the converted DC voltage from the output terminal of converter circuit 2 to the input terminal of inverter circuit 3 Output.
  • the inverter circuit 3 converts the DC voltage output from the converter circuit 2 input to the input terminal of the inverter circuit 3 into a high-frequency AC voltage having a frequency higher than the commercial frequency, and the converted high-frequency AC voltage is output from the inverter circuit 3. Output from the terminal to the input (primary winding) side of the high-voltage transformer 4.
  • the inverter circuit 3 results in the X-ray tube 8 The voltage supplied to is controlled.
  • the high voltage transformer 4 outputs the high frequency AC voltage output from the inverter circuit 3 input to the input (primary winding) side of the high voltage transformer 4 to the input (primary winding) and output of the high voltage transformer 4 (
  • the high frequency AC high voltage is boosted by the turn ratio of the secondary winding), and the boosted high frequency AC high voltage is output from the output terminal of the high voltage transformer 4 to the input terminal of the high voltage rectifier 6.
  • a stray capacitance 42 exists in the closed circuit between the secondary winding of the high voltage transformer 4 and the high voltage rectifier 6.
  • the stray capacitance 42 does not exist as an actual circuit element, it is mainly a capacitive load formed by the structure of an insulator placed between the windings on the secondary winding side of the high-voltage transformer 4, and other It is the sum of the capacities existing in parallel with the capacitive load in the arrangement of components. It is assumed that the stray capacitance 42 is actually connected in parallel to the secondary winding side of the high voltage transformer 4.
  • the resonant inductance 5 has a reverse effect to the load component of the stray capacitance 42 under an AC voltage circuit.
  • the stray capacitance 42 has an advanced phase of 90 ° with respect to the AC voltage, whereas the resonant inductance 5 has a delayed phase of 90 ° with respect to the AC voltage. That is, at least a part of the advance component of the alternating current due to the stray capacitance 42 is canceled by the delay component of the resonance inductance 5.
  • the delay component of the resonant inductance 5 cancels at least a part of the load component of the stray capacitance 42, so that the reactive power in the load component of the stray capacitance 42 can be reduced.
  • the high voltage rectifier 6 rectifies the high voltage AC voltage boosted by the high voltage transformer 4 into a DC high voltage.
  • the X-ray tube 8 is an X-ray of the X-ray tube 8 by a DC high voltage rectified by the high-voltage rectifier 6 and electrons supplied from a separate filament heating power source (not shown) to the filament provided in the X-ray tube 8 X-rays are output from the radiation window.
  • FIG. 2 is an equivalent circuit used for explaining the power factor improvement of the first embodiment and a vector diagram on the complex plane.
  • FIG. 2 (a) the equivalent circuit seen from the secondary winding side of the high-voltage transformer 4 is shown in FIG. 2 (a).
  • the stray capacitance of the secondary winding of the high-voltage transformer 4 and other stray capacitance that appears in parallel with the capacitance are Cp
  • the apparent load of the X-ray tube 8 is the resistance Rp
  • induction Let Lp be the resonant inductance inserted in parallel across the stray capacitance Cp as a capacitive load.
  • FIG. 2 (b) is a complex plane with the real axis on the horizontal axis and the imaginary axis on the vertical axis.
  • the voltage vector V [V] of the output of the inverter circuit 3 and the current vector I RP [A] of the resistance Rp of the load of the X-ray tube 8 via the high voltage rectifier 6 are positive on the real axis in the complex plane. Arranged in the direction of the value.
  • active power [W] is the product of voltage component V [V] and current component I RP [A] of resistor Rp. It is represented by The apparent power [VA] is also expressed by the product of the voltage component V [V] and the current component I RP [A] of the resistor Rp, so the apparent power [VA] is equal to the active power [W] and the active power [W ] Is the maximum at 100 [%].
  • the relationship between the AC voltage and the AC current when the load viewed from the secondary winding side of the high voltage transformer 4 is the resistor Rp and the stray capacitance Cp will be described with reference to FIG.
  • the vector of the voltage component V [V] of the output of the inverter circuit 3 and the current component I RP [A] of the resistor Rp of the load the vector of the current component I CP [A] of the impedance of the stray capacitance Cp is Arranged in the direction of the positive value of the imaginary axis.
  • the voltage component V [V], the current component I RP [A] of the resistor Rp, and the current component I CP [A] of the impedance of the stray capacitance Cp have a relationship having a phase angle of 90 °.
  • a combined vector of the current component I RP [A] of the resistor Rp and the current component I CP [A] of the impedance of the stray capacitance Cp is represented as a current I CR [A] flowing through the resistor Rp and the stray capacitance Cp.
  • the current I CR [A] flowing through the resistor Rp and the stray capacitance Cp has a phase angle ⁇ with respect to the voltage component V [V].
  • the product of the current vector I RP [A] on the real axis and the voltage component V [V] is the active power [W], and the product of the current vector I CP [A] on the imaginary axis and the voltage component V [V]. Becomes reactive power [Var].
  • the presence of the reactive power [Var] decreases the ratio of the active power [W] to the apparent power [VA], so the power factor obtained by dividing the active power [W] by the apparent power [VA] decreases.
  • the apparent power [VA] is represented by the square root of the sum of the square of the active power [W] and the square of the reactive power [Var]
  • the power factor is represented by the cosine (cos ⁇ ) of the phase angle ⁇ .
  • the power factor varies depending on the load conditions of the X-ray tube and decreases to about 70 to 90% compared to Fig. 2 (b).
  • the resonance inductance 5 of Lp [H] in the equation (1) is connected in parallel to the secondary winding side of the high voltage transformer 4.
  • a current component I CP [A] of the stray capacitance Cp and a current component I LP [A] of the resonance inductance Lp having a 180 ° phase angle are generated.
  • the vector of the current component I LP [A] of the resonant inductance Lp exhibits an action opposite to that of the vector of the current component I CP [A] of the stray capacitance Cp, and is arranged in the negative direction of the imaginary axis.
  • the vector of the current component I CP [A] of the stray capacitance Cp and the current component I LP [A] of the resonant inductance Lp are in opposite directions and cancel each other, so the combined vector becomes 0, and the voltage component V [V] The vector and the vector of the resistance current component I RP [A] remain.
  • the power factor is calculated from the vector component of the voltage component V [V] and the vector component of the resistance current component I RP [A], which is about 70 to 90% in FIG. 2 (c). The power factor reduced to 100% will be improved.
  • the resonance inductance Lp is not limited to the equation (1). That is, in FIG. 2D, even if the resonance inductance Lp does not satisfy the expression (1), the resonance inductance Lp may be set so as to be equal to or higher than a desired power factor. Specifically, the resonance inductance Lp may satisfy the following formula (2).
  • Inverter circuit 3 for converting to higher frequency high-frequency AC voltage
  • high-voltage transformer 4 for boosting high-frequency AC voltage converted by inverter circuit 3 to high-frequency AC high voltage, and boosted by high-voltage transformer 4
  • a high-voltage rectifier 6 that rectifies a high-frequency AC high voltage to a DC high voltage
  • an X-ray tube 8 that supplies a DC high voltage rectified by the high-voltage rectifier 6, and an input terminal of the high-voltage rectifier 6 are connected.
  • An inductive load that reduces the advance of the current phase with respect to the voltage due to the stray capacitance 42 in the closed circuit between the secondary winding of the high voltage transformer 4 and the input terminal of the high voltage rectifier 6 ( Since provided with a vibration inductance) 5, a, can improve the power factor of the inverter circuit for the stray capacitance of the closed circuit between the input terminals of the secondary winding and the high-voltage rectifier of the high voltage transformer.
  • Example 1 the unique effect of Example 1 is that when the X-ray exposure condition of the X-ray tube 8 is a relatively low tube current as in scanogram measurement, the impedance of the X-ray tube 8 is higher than the impedance of the stray capacitance 42 Even so, the reactive power of the output power due to the stray capacitance Cp can be reduced.
  • FIG. 3 is a block diagram showing Embodiment 2 of the X-ray high voltage apparatus of the present invention.
  • Example 2 the power factor due to stray capacitance under relatively heavy load conditions, such as X-ray exposure conditions for X-ray fluoroscopy devices and tomographic image measurements for X-ray CT devices An example of improving the decrease will be described.
  • the resonant capacitor 9 is a capacitive impedance connected in series between the inverter circuit 3 and the high voltage transformer 4, and has a reverse effect to the load component of the leakage inductance 41 of the high voltage transformer 4. By connecting the resonant capacitor 9, at least a part of the load component of the leakage inductance 41 is canceled, and reactive power due to the load component of the leakage inductance 41 can be reduced.
  • the high voltage transformer 4 has a leakage inductance 41 and, like the stray capacitance 42, cannot be removed due to the characteristics of the device.
  • the resonant state of the stray capacitance 42 and the resonant inductance 5 is used, whereas in the second embodiment, the leakage inductance 41 and the resonant capacitor of the high-voltage transformer 4 are expressed as shown in the equation (3).
  • the impedance of the load circuit viewed from the inverter circuit 3 is lowered, and reactive power due to leakage inductance is reduced.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit used for explaining the power factor improvement of the second embodiment and a vector diagram on the complex plane.
  • FIG. 4A shows an equivalent circuit of a closed circuit between the primary winding of the high voltage transformer 4 and the output terminal of the inverter circuit 3.
  • FIG. 4 (a) the resonant inductance 41 is inserted in series with the resistor Rs with the leakage inductance 41 of the high-voltage transformer 4 being an apparent load as Ls, the apparent load of the X-ray tube 8 as a resistor Rs, and a capacitive load.
  • Capacitor 9 is Cs.
  • FIG. 4 (b) is a complex plane with the real axis on the horizontal axis and the imaginary axis on the vertical axis.
  • the output current I RS [A] of the inverter circuit 3 and the voltage component V RS [V] of the resistance Rs of the load are arranged in the direction of the positive value of the real axis in the complex plane. Since the vector of the current I RS [A] and the voltage component V RS [V] of the resistor Rs are in phase, the active power [W] is the current I RS [A] and the voltage component V RS [V] of the resistor. Expressed as a product.
  • the apparent power [VA] is also represented by the product of the current I RS [A] and the voltage component V RS [V] of the resistor, so it is equal to the active power [W], and the effective power [W] is expressed as the apparent power [VA].
  • the power factor divided by the maximum is 100 [%].
  • the voltage component V LS [V] of the leakage inductance Ls of the high-voltage transformer 4 are arranged in the direction of the positive value of the imaginary axis.
  • the voltage component V RS [V] and current component I RS [A] of the resistor Rs and the voltage component V LS [V] of the leakage inductance Ls have a relationship having a phase angle of 90 °.
  • a combined vector of the voltage component V RS [V] of the resistor Rs and the voltage component V LS [A] of the leakage inductance Ls is represented as a voltage component V LR [V] of the output of the inverter circuit 3.
  • the voltage component V RS [V] and the current component I RS [A] of the resistor Rs have a phase angle ⁇ with respect to the voltage component V LR [V].
  • the product of the current vector I RS [A] on the real axis and the voltage component V RS [V] is the active power [W]
  • the current vector I RS [A] on the real axis and the voltage component V on the imaginary axis is the reactive power [Var].
  • the presence of the reactive power [Var] decreases the ratio of the active power [W] to the apparent power [VA], so the power factor obtained by dividing the active power [W] by the apparent power [VA] decreases.
  • the power factor varies depending on the load condition of the X-ray tube and decreases to about 70 to 90% compared to Fig. 4 (b).
  • the resonance capacitor 9 of Cs [F] of the equation (3) is connected in series between the primary winding of the inverter circuit 3 and the high voltage transformer 4.
  • FIG. 4 (d) is used to explain the relationship between AC voltage and AC current when the load is a resistor Rs, a leakage inductance Ls, and a resonant capacitor Cs.
  • a voltage component V LS [V] of the impedance of the leakage inductance Ls and a voltage component V CS [V] of the impedance of the resonant capacitor Cs having a 180 ° phase angle are generated.
  • the vector of the voltage component V CS [V] of the resonant capacitor Cs exhibits an action opposite to the vector of the voltage component V CP [V] of the leakage inductance Ls, and is directed toward the negative value of the imaginary axis. Be placed.
  • the vector of the voltage component V LS [V] of the leakage inductance Ls and the voltage component V CS [V] of the resonant capacitor Cs are in opposite directions and cancel each other, so that the resultant vector becomes 0, and the voltage component V RS [ The vector of V] and the vector of the resistance current component I RS [A] remain.
  • the power factor is calculated by the vector component of the voltage component V RS [V] and the vector component of the resistance current component I RS [A], and in FIG. 4 (c), it is about 70 to 90 [%]. The power factor reduced to 100% will be improved.
  • the resonance capacitor Cs is not limited to the expression (3) as long as the X-ray high voltage apparatus is acceptable even if the power factor is less than 100 [%]. That is, even when the resonance capacitor Cs does not satisfy the expression (3), the resonance capacitor Cs may be set so as to be equal to or higher than a desired power factor. Specifically, the resonance capacitor Cs may satisfy the following equation (4).
  • Example 2 the effects described in the first embodiment are achieved.
  • the unique effect of Example 2 is that the reactive power due to the leakage inductance 41 is reduced even when the X-ray exposure condition is a high tube current and the impedance of the X-ray tube 8 is sufficiently lower than the impedance of the leakage inductance 41. It can be reduced.
  • the reactive power of the output power of the inverter circuit due to the stray capacitance 42 should be reduced. Is possible.
  • Example 3 an example will be described in which the power factor reduction due to stray capacitance is improved by changing the operating frequency of the inverter circuit 3.
  • the X-ray high voltage generator of Example 3 is shown in FIG.
  • the difference between the third embodiment and the second embodiment is that the operating frequency of the inverter circuit 3 is variable between the minimum operating frequency and the maximum operating frequency.
  • the operating frequency of the inverter circuit 3 is variable between the minimum operating frequency and the maximum operating frequency.
  • the X-ray high-voltage generator has a wide load range from several hundred k ohms to several tens of M ohms when converted into impedance from low tube voltage / high tube current to high tube voltage / low tube current depending on the X-ray exposure conditions.
  • the power factor varies depending on the load under X-ray exposure conditions and the operating frequency of the inverter circuit. For this reason, the reactive power due to the stray capacitance 42 of the high voltage transformer 4 may be reduced by changing the operating frequency of the inverter circuit 3.
  • the stray capacitance 42 in the closed circuit between the secondary winding of the high-voltage transformer 4 and the input terminal of the high-voltage rectifier 6 is implemented under high tube current conditions such as measuring tomograms with an X-ray CT device. As described in Example 2, the effect is small. Therefore, when the tube current is high, the operating frequency of the inverter circuit 3 is reduced to reduce the influence of the leakage inductance 41 in order to reduce the impedance in series with the load of the inverter circuit 3. At this time, the impedance reduction is still effective when the resonant capacitor 9 and the leakage inductance 41 are in a resonant state as shown in the equation (5).
  • f min minimum operating frequency of inverter circuit 3 [Hz]
  • stray capacitance 42 in a closed circuit between the secondary winding of the high-voltage transformer 4 and the input terminal of the high-voltage rectifier 6 As described in the first embodiment, the existence of the stray capacitance 42 cannot be ignored.
  • the tube current is low, the resonant frequency of the closed circuit is inevitably high, and the reactive power can be reduced by increasing the operating frequency of the inverter circuit 3 to approach the resonant frequency.
  • the impedance reduction is still effective if the resonance inductance 5 and the stray capacitance 42 are in the resonance state as shown in the equation (6).
  • f max Maximum operating frequency of the inverter circuit 3 [Hz]
  • the resonant capacitor 9 is configured with a leakage inductance 41 and a capacitance that is in a resonant state at a low operating frequency, and the resonant inductance 5 is a stray capacitance 42 at a high operating frequency. And an inductance in a resonance state.
  • the resonance frequency of the resonance capacitor 9 and the resonance inductance 5 and the resonance frequency of the leakage inductance 41 and the stray capacitance 42 are values excluded from the operating frequency range of the inverter circuit 3.
  • the effects described in the first and second embodiments are achieved.
  • the specific effect of the third embodiment is that since any resonance frequency is not included in the operating frequency range of the inverter circuit 3, the operation of the inverter circuit 3 can be stabilized.
  • Embodiments 1 to 3 described above can be easily configured in the same manner even in the soft switching method in which the operating frequency of the inverter circuit 3 is increased to reduce the switching loss of the inverter circuit 3 than the resonant frequency of the circuit due to the capacitor or inductance. Can make a suggestion.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the overall configuration of an X-ray CT apparatus using the X-ray high voltage apparatus of Examples 1 to 3.
  • the X-ray imaging apparatus is not limited to the X-ray CT apparatus, and may be an X-ray fluoroscopic imaging apparatus or the like.
  • the X-ray CT apparatus includes a scan gantry unit 100 and an operation unit 120.
  • the scan gantry unit 100 includes an X-ray tube device 101, a rotating disk 102, a collimator 103, an X-ray detector 106, a data collection device 107, a bed device 105, a gantry control device 108, and a bed control device 109.
  • the X-ray tube apparatus 101 is an apparatus that irradiates a subject placed on the bed apparatus 105 with X-rays, and serves as an X-ray source.
  • the collimator 103 is a device that limits the radiation range of X-rays emitted from the X-ray tube device 101.
  • the rotating disk 102 includes an opening 104 into which the subject placed on the bed apparatus 105 enters, and is equipped with an X-ray tube device 101 and an X-ray detector 106, and rotates around the subject. .
  • the X-ray detector 106 is a device that measures the spatial distribution of transmitted X-rays by detecting X-rays that are disposed opposite to the X-ray tube device 101 and transmitted through the subject.
  • 102 is one-dimensionally arranged in the rotation direction of 102, or a large number of detection elements are two-dimensionally arranged in the rotation direction of the rotating disk 102 and the rotation axis direction.
  • the data collection device 107 is a device that collects the X-ray dose detected by the X-ray detector 106 as digital data.
  • the gantry control device 108 is a device that controls the rotation and inclination of the rotary disk 102.
  • the bed control device 109 is a device that controls the vertical and horizontal movements of the bed device 105.
  • the high voltage generator 111 is a device that generates a high voltage applied to the X-ray tube apparatus 101.
  • the X-ray control device 110 is a device that controls the output of the high voltage generator 111.
  • the high voltage generator 111 is the X-ray high voltage apparatus according to the first to third embodiments.
  • the operation unit 120 includes an input device 121, an image processing device 122, a display device 125, a storage device 123, and a system control device 124.
  • the input device 121 is a device for inputting a subject's name, examination date and time, imaging conditions, and the like.
  • the input device 121 is a keyboard, a pointing device, a touch panel, or the like.
  • the image processing apparatus 122 is an apparatus that reconstructs a CT image by performing arithmetic processing on measurement data transmitted from the data collection apparatus 107.
  • the display device 125 is a device that displays a CT image or the like created by the image processing device 122, and is specifically a CRT (Cathode-Ray Tube) or a liquid crystal display.
  • the storage device 123 is a device that stores data collected by the data collection device 107, image data of a CT image created by the image processing device 122, and the like. Specifically, the storage device 123 is an HDD (Hard Disk Drive) or the like.
  • the system control device 124 is a device that controls these devices, the gantry control device 108, the bed control device 109, and the X-ray control device 110.
  • the high voltage generator 111 Based on the imaging conditions input from the input device 121, the high voltage generator 111 generates a tube voltage and a tube current applied to the X-ray tube device 101. Irradiate the subject with a line.
  • the X-ray detector 106 detects X-rays irradiated from the X-ray tube apparatus 101 and transmitted through the subject with a large number of X-ray detection elements, and measures the distribution of transmitted X-rays.
  • the rotating disk 102 is controlled by the gantry control device 108, and rotates based on the imaging conditions input from the input device 121, particularly the rotation speed.
  • the couch device 105 is controlled by the couch control device 109 and operates based on the imaging conditions input from the input device 121, particularly the helical pitch.
  • X-ray irradiation from the X-ray tube apparatus 101 and transmission X-ray distribution measurement by the X-ray detector 106 are repeated along with the rotation of the rotating disk 102, whereby projection data from various angles is acquired.
  • the projection data is associated with a view representing each angle, a channel (ch) number and a column number that are detection element numbers of the X-ray detector 106.
  • the acquired projection data from various angles is transmitted to the image processing device 122.
  • the image processing device 122 reconstructs the CT image by performing back projection processing on the transmitted projection data from various angles.
  • the CT image obtained by the reconstruction is displayed on the display device 125.
  • the X-ray CT apparatus 1 may be connected to an in-hospital server or an out-of-hospital server via a network (not shown), and necessary data may be read from each server in a timely manner.

Landscapes

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Abstract

　高電圧変圧器の二次巻線と高電圧整流器の入力端子との間の閉回路の浮遊容量に対するインバータ回路の力率を改善可能なX線高電圧装置を提供するために、本発明のX線高電圧装置は、商用周波数の交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路2と、コンバータ回路2によって変換された直流電圧を商用周波数よりも高い周波数の高周波交流電圧に変換するインバータ回路3と、インバータ回路3によって変換された高周波交流電圧を高周波交流高電圧に昇圧する高電圧変圧器4と、高電圧変圧器4によって昇圧された交流高電圧を直流高電圧に整流する高電圧整流器6と、高電圧整流器6によって整流された直流高電圧を供給するX線管8と、前記高電圧整流器6の入力端子の間に接続され、前記高電圧変圧器4の二次巻線の浮遊容量及びその容量に対して並列に見えるその他の浮遊容量42による電圧に対する電流位相の進みを低減する誘導性負荷(共振インダクタンス)5と、を備える。

Description

Ｘ線高電圧装置とそれを用いたＸ線ＣＴ装置
　本発明は、直流電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ回路を備えたX線高電圧装置に係り、特にインバータ回路に出力される皮相電力に対する有効電力の割合(力率)を改善する技術に関するものである。
　従来のX線高電圧装置は、特許文献1に開示されるように、商用周波数の交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、コンバータ回路によって変換された直流電圧を商用周波数よりも高い周波数の交流電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路によって変換された商用周波数よりも高い周波数の交流電圧を昇圧する高電圧変圧器と、高電圧変圧器によって昇圧された交流電圧を高電圧の直流電圧に整流する高電圧整流器と、高電圧整流器によって整流された高電圧の直流電圧を供給するX線管と、を有している。
　また、従来のプラズマ発生用電源装置では、特許文献2に開示されるように、変圧器によって高電圧に変換した二次巻線側に有る放電負荷に力率改善用インダクタを並列に接続して、放電負荷における電流位相の電圧に対する進みを補償して、補償した位相進み分の力率を改善している。
特開2011-139618号公報 特開2001-035693号公報
　特許文献2に開示されたプラズマ発生用電源装置は、高電圧変圧器の二次巻線に放電負荷を直接接続する。他方、X線高電圧装置では高電圧変圧器の二次巻線に高電圧整流器を介してX線管に接続する。このように、特許文献2の放電負荷の容量性負荷は力率改善用インダクタンスを直接作用させることができるが、X線管の定常状態においては直流の負荷でありインダクタンス(誘導性負荷)をX線管に接続してもインバータ回路の力率改善に寄与しない。
　また、X線管はX線CT装置に用いる場合断層像の撮影位置を決めるために計測するスキャノグラム像の計測時と断層像の計測時においてそれぞれの負荷が異なり、スキャノグラム像の計測時と断層像の計測時の負荷の差はたとえば数千倍の負荷の変動となる。負荷の変動が大きいX線管では、負荷が軽いときは高電圧変圧器の二次巻線の浮遊容量及びその容量に対して並列に見えるその他の浮遊容量が大きな影響を及ぼすため、これに対処しなければならないが、特許文献1及び特許文献2には前記浮遊容量についてなんら考慮されていない。
　そこで、本発明の目的は、高電圧変圧器の二次巻線の浮遊容量及びその容量に対して並列に見えるその他の浮遊容量に対するインバータ回路の力率を改善可能なX線高電圧装置とそれを用いたX線CT装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明は、コンバータ回路によって商用周波数の交流電源の交流電圧が直流電圧に変換され、前記変換された直流電圧がインバータ回路によって商用周波数よりも高い周波数の高周波交流電圧に変換され、前記変換された高周波交流電圧が高電圧変圧器によって高周波交流高電圧に昇圧され、昇圧された高周波交流高電圧が高電圧整流器によって直流高電圧に整流され、X線管に前記整流された直流高電圧を供給し、前記高電圧整流器の入力端子の間に接続される誘導性負荷によって前記高電圧変圧器の二次巻線側の浮遊容量による、電圧に対する電流位相の進みを低減する。
　本発明によれば、前記高電圧変圧器の二次巻線の浮遊容量及びその容量に対して並列に見えるその他の浮遊容量におけるインバータ回路の力率を改善可能なX線高電圧装置とそれを用いたX線CT装置を提供することができる。
本発明の実施例1のX線高電圧装置の回路構成図 実施例1の力率改善の説明に使用する等価回路と、複素平面上のベクトル図 本発明の実施例2、3のX線高電圧装置の回路構成図 実施例2の力率改善の説明に使用する等価回路と、複素平面上のベクトル図 実施例1乃至3のX線高電圧装置を用いたX線CT装置の全体構成を示すブロック図
　以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。
　図1は本発明のX線高電圧装置の実施例1を示す回路構成図である。
　実施例1では、X線透視撮影装置にあっては透視のX線曝射条件、X線CT装置にあってはスキャノグラム計測など、比較的にX線管の負荷が軽い条件での浮遊容量による力率低下を改善する例を説明する。
　X線高電圧装置は、コンバータ回路2と、インバータ回路3と、高電圧変圧器4と、誘導性負荷(共振インダクタンス)5と、高電圧整流器6と、高電圧ケーブル7と、X線管8とを有する。
　まず、X線高電圧装置の各構成要素の接続関係を説明する。
　コンバータ回路2では、入力端子に50[Hz]または60[Hz]の商用周波数の交流電源1が接続され、出力端子にインバータ回路3の入力端子が接続される。
　インバータ回路3では、入力端子にコンバータ回路2の出力端子が接続され、出力端子に高電圧変圧器4の入力端子が接続される。
　高電圧変圧器4では、入力(一次巻線)側にインバータ回路3の出力が接続され、出力(二次巻線)側に高電圧整流器6 の入力端子が接続される。
　共振インダクタンス5は、高電圧整流器6の入力端子間に接続される。
　高電圧整流器6では、入力端子に高電圧変圧器4の出力(二次巻線)側が接続され、出力端子にX線管8が接続される。
　X線管8は、高電圧整流器6の出力端子のアノード側端子とカソード側端子に、高電圧ケーブル7を用いて接続される。
　次に、X線高電圧装置の各構成要素の機能を説明する。
　コンバータ回路2は、コンバータ回路2の入力端子に入力される交流電源1の商用周波数の交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧をコンバータ回路2の出力端子からインバータ回路3の入力端子へ出力する。
　インバータ回路3は、インバータ回路3の入力端子に入力されるコンバータ回路2から出力された直流電圧を商用周波数よりも高い周波数の高周波交流電圧に変換し、変換した高周波交流電圧をインバータ回路3の出力端子から高電圧変圧器4の入力(一次巻線)側へ出力する。また、高電圧変圧器4の出力端子の出力電圧は、高電圧変圧器4の入力端子への入力電圧と高電圧変圧器4の巻数比によって決まるため、結果としてインバータ回路3がX線管8に供給する電圧を制御することになる。
　高電圧変圧器4は、高電圧変圧器4の入力(一次巻線)側に入力されるインバータ回路3から出力された高周波交流電圧を高電圧変圧器4の入力(一次巻線)と出力(二次巻線)の巻数比によって高周波交流高電圧に昇圧して、昇圧した高周波交流高電圧を高電圧変圧器4の出力端子から高電圧整流器6の入力端子へ出力する。また、高電圧変圧器4の二次巻線と高電圧整流器6との間の閉回路には、浮遊容量42が存在する。浮遊容量42は、実際の回路素子としては存在しないが、高電圧変圧器4の二次巻線側で巻線間に配置された絶縁物の構造により形成される容量性負荷が主で、その他部品の配置で前記容量性負荷に並列接続して存在する容量との合計である。浮遊容量42は実際に高電圧変圧器4の二次巻線側に並列に接続されているとみなすものである。
　共振インダクタンス5は、交流電圧の回路下で浮遊容量42の負荷成分と逆の作用をするものである。浮遊容量42は交流電圧に対して交流電流が90°の進み位相となるのに対し、共振インダクタンス5は交流電圧に対して交流電流が90°の遅れ位相となる。つまり、浮遊容量42による交流電流の進み成分は共振インダクタンス5の遅れ成分によって少なくとも一部が打ち消される。共振インダクタンス5の遅れ成分が浮遊容量42の負荷成分の少なくとも一部を打ち消すことで、浮遊容量42の負荷成分における無効電力を削減できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　ここで、f：インバータ回路3の動作周波数[Hz]
　Lp：共振インダクタンスのインダクタンス[H]
　Cp：高電圧変圧器の二次巻線側の浮遊容量[F]
　(1)式を満たす共振インダクタンス5(Lp)を挿入することで、浮遊容量42(Cp)に流れる無効電流は共振インダクタンス5との間で共振現象により循環するため、インバータ回路3の無効電流を無くすことができる。また、共振インダクタンス5がLp[H]以下であってもインバータ回路3の無効電流を削減することができる。無効電力を無くすあるいは削減することにより、インバータ回路3の力率を改善できる。
　共振インダクタンス5と浮遊容量42の負荷成分の関係については、後に図2を用いて説明する。
　高電圧整流器6は、高電圧変圧器4によって昇圧された高電圧の交流電圧を直流高電圧に整流する。
　X線管8は、高電圧整流器6によって整流された直流高電圧と、X線管8内に設けられるフィラメントに別途のフィラメント加熱電源(図示省略)から与えられる電子によりX線管8のX線放射窓からX線を出力する。
　次に、共振インダクタンス5による浮遊容量42の容量性の負荷成分を打ち消すことについて図2を用いて説明する。
　図2は実施例1の力率改善の説明に使用する等価回路と、複素平面上のベクトル図である。
　まず、図2(a)に高電圧変圧器4の二次巻線側から見た等価回路を示す。図2(a)において、高電圧変圧器4の二次巻線の浮遊容量及びその容量に対して並列に見えるその他の浮遊容量をCp、X線管8の見かけ上の負荷を抵抗Rp、誘導性負荷として浮遊容量Cpの両端に並列挿入される共振インダクタンスをLpとする。
　次に、高電圧変圧器4の二次巻線側から見た仮想の負荷が抵抗Rpだけの場合の交流電圧と交流電流の関係を説明する。図2(b)は横軸に実数軸、縦軸に虚数軸をとった複素平面である。インバータ回路3の出力の電圧ベクトルV[V]と高電圧整流器6を介したX線管8の負荷のうちの抵抗Rpの電流ベクトルIRP[A]とは複素平面では、実数軸の正の値の方向へ配置される。電圧V[V]のベクトルと抵抗Rpの電流IRP[A]のベクトルは同相であるから、有効電力[W]は電圧成分V[V]と抵抗Rpの電流成分IRP[A]の積で表される。また皮相電力[VA]も電圧成分V[V]と抵抗Rpの電流成分IRP[A]の積で表されるから、皮相電力[VA]は有効電力[W]と等しく、有効電力[W]を皮相電力[VA]で除した力率は100[％]で最大となる。
　次に、図2(c)を用いて、高電圧変圧器4の二次巻線側から見た負荷が抵抗Rpと浮遊容量Cpの場合の交流電圧と交流電流の関係を説明する。インバータ回路3の出力の電圧成分V[V]と負荷のうちの抵抗Rpの電流成分IRP[A]とのベクトルに加えて、浮遊容量Cpのインピーダンスの電流成分ICP[A]のベクトルが虚数軸の正の値の方向へ配置される。電圧成分V[V]及び抵抗Rpの電流成分IRP[A]と、浮遊容量Cpのインピーダンスの電流成分ICP[A]とは90°の位相角を有する関係となる。
　ここで、抵抗Rpの電流成分IRP[A]と浮遊容量Cpのインピーダンスの電流成分ICP[A]の合成ベクトルは、抵抗Rpと浮遊容量Cpに流れる電流ICR[A]として示される。そして、抵抗Rpと浮遊容量Cpに流れる電流ICR[A]は、電圧成分V[V]に対して位相角θを有することになる。また、実数軸上の電流ベクトルIRP[A]と電圧成分V[V]の積が有効電力[W]となり、虚数軸上の電流ベクトルICP[A]と電圧成分V[V]の積が無効電力[Var]となる。無効電力[Var]の存在は、皮相電力[VA]に対する有効電力[W]の割合を低下させるので、有効電力[W]を皮相電力[VA]で除した力率は低下する。ここで、皮相電力[VA]は有効電力[W]の自乗と無効電力[Var]の自乗の和の平方根で表され、力率は位相角θの余弦(cosθ)で表される。力率はX線管の負荷の条件によって異なり、図2(b)と比較して70～90[％]程度に低下する。
　そこで、本実施例では、(1)式のLp[H]の共振インダクタンス5を高電圧変圧器4の二次巻線側に並列に接続する。
　図2(d)を用いて、高電圧変圧器4の二次巻線側から見た負荷がX線管の負荷の抵抗Rpと浮遊容量Cpと共振インダクタンスLpの場合の交流電圧と交流電流の関係を説明する。
　共振インダクタンスLpを接続すると、浮遊容量Cpの電流成分ICP[A]と180°位相角を有する共振インダクタンスLpの電流成分ILP[A]が生じることとなる。共振インダクタンスLpの電流成分ILP[A]のベクトルは、浮遊容量Cpの電流成分ICP[A]のベクトルとは逆方向の作用を示すものであって、虚数軸の負の方向へ配置される。浮遊容量Cpの電流成分ICP[A]のベクトルと共振インダクタンスLpの電流成分ILP[A]とは、逆方向であって互いに打ち消し合うので合成ベクトルは0となり、電圧成分V[V]のベクトルと抵抗の電流成分IRP[A]のベクトルが残ることになる。その結果、力率は、電圧成分V[V]のベクトルと抵抗の電流成分IRP[A]のベクトルの成分で計算されることになり、図2(c)において70～90[％]程度に低下した力率が100[％]に改善されることになる。
　なお、力率が100[％]未満であってもX線高電圧装置が許容可能であれば、共振インダクタンスLpは(1)式に限定されない。すなわち図2(d)において、共振インダクタンスLpが(1)式を満たさない場合であっても、所望の力率以上となるように共振インダクタンスLpを設定すれば良い。具体的には、共振インダクタンスLpが次に示す(2)式を満たせば良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
ここで、f：インバータ回路3の動作周波数[Hz]
　Cp：高電圧変圧器の二次巻線側の浮遊容量[F]
　tanθ：(=(1-cos2θ)0.5/cosθ)
　cosθ：力率
　Rp：X線管の負荷の抵抗[Ω]
　Lp：共振インダクタンスのインダクタンス[H]　以上説明した実施例1によれば、商用周波数の交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路2と、コンバータ回路2によって変換された直流電圧を商用周波数よりも高い周波数の高周波交流電圧に変換するインバータ回路3と、インバータ回路3によって変換された高周波交流電圧を高周波交流高電圧に昇圧する高電圧変圧器4と、高電圧変圧器4によって昇圧された高周波交流高電圧を直流高電圧に整流する高電圧整流器6と、高電圧整流器6によって整流された直流高電圧を供給するX線管8と、前記高電圧整流器6の入力端子の間に接続され、前記高電圧変圧器4の二次巻線と前記高電圧整流器6の入力端子の間の閉回路に有る浮遊容量42による電圧に対する電流位相の進みを低減する誘導性負荷(共振インダクタンス)5と、を備えるので、高電圧変圧器の二次巻線と高電圧整流器の入力端子との間の閉回路の浮遊容量に対するインバータ回路の力率を改善することができる。
　また、実施例1の特有の効果は、X線管8のX線曝射条件がスキャノグラム計測のように、比較的低い管電流で、X線管8のインピーダンスが浮遊容量42のインピーダンスより高い場合であっても、浮遊容量Cpによる出力電力の無効電力を低減できることである。
　図3は本発明のX線高電圧装置の実施例2を示す構成図である。
　実施例2では、X線透視撮影装置にあっては撮影のX線曝射条件、X線CT装置にあっては断層像の計測など、比較的に負荷が重い条件での浮遊容量による力率低下を改善する例を説明する。
　実施例2と実施例1の相違点は、共振キャパシタ9を有している点であるので、相違点のみを説明し、同じ点の説明は省略する。
　共振キャパシタ9は、インバータ回路3と高電圧変圧器4の間に直列に接続される容量性インピーダンスであり、高電圧変圧器4の漏れインダクタンス41の負荷成分と逆の作用をするものである。共振キャパシタ9が接続されることにより、漏れインダクタンス41の負荷成分の少なくとも一部が打ち消され、漏れインダクタンス41の負荷成分による無効電力を削減できる。
　高電圧変圧器4は漏れインダクタンス41を有し、浮遊容量42同様に装置の特性上、取り除くことはできない。
　実施例1では、浮遊容量42と共振インダクタンス5の共振状態を利用していたのに対して、実施例2では、(3)式に示すように高電圧変圧器4の漏れインダクタンス41と共振キャパシタ9を共振状態にすることで、インバータ回路3から見た負荷回路のインピーダンスを下げ、漏れインダクタンスによる無効電力を低減する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　ここで、f：インバータ回路3の動作周波数[Hz]
　Ls：高電圧変圧器の漏れインダクタンス[H]
　Cs：共振キャパシタの静電容量[F]
　次に、共振キャパシタ9による漏れインダクタンス41の負荷成分の相殺について図4を用いて説明する。
　図4は実施例2の力率改善の説明に使用する等価回路と、複素平面上のベクトル図である。
　まず、図4(a)に、高電圧変圧器4の一次巻線とインバータ回路3の出力端子の間の閉回路の等価回路を示す。図4(a)では、見かけ上の負荷である高電圧変圧器4の漏れインダクタンス41をLs、X線管8の見かけ上の負荷を抵抗Rs、容量性負荷として抵抗Rsに直列挿入される共振キャパシタ9をCsとする。なお、実施例1で説明したように浮遊容量Cpによる無効電力が共振インダクタンスLpにより打ち消されたとすると、浮遊容量Cpと共振インダクタンスLpとにそれぞれ流れる電流ICP[A]とILP[A]とは無視することができ、インバータ回路3の出力の電流I[A]が抵抗Rsに流れる電流IRS[A]となる(I=IRS)。
　次に、仮想の負荷が抵抗Rsだけの場合の交流電圧と交流電流の関係を説明する。図4(b)は横軸に実数軸、縦軸に虚数軸をとった複素平面である。インバータ回路3の出力の電流IRS[A]と負荷のうちの抵抗Rsの電圧成分VRS[V]とは複素平面では、実数軸の正の値の方向へ配置される。電流IRS[A]のベクトルと抵抗Rsの電圧成分VRS[V]のベクトルは同相であるから、有効電力[W]は電流IRS[A]と抵抗の電圧成分VRS[V]の積で表される。また、皮相電力[VA]も電流IRS[A]と抵抗の電圧成分VRS[V]の積で表されるから有効電力[W]と等しく、有効電力[W]を皮相電力[VA]で除した力率は100[％]で最大となる。
　次に、図4(c)を用いて、閉回路の負荷が抵抗Rsと高電圧変圧器4の漏れインダクタンスLsの場合の交流電圧と交流電流の関係を説明する。インバータ回路3の出力の電流IRS[A]と負荷のうちの抵抗Rsの電圧成分VRS[V]とのベクトルに加えて高電圧変圧器4の漏れインダクタンスLsの電圧成分VLS[V]のベクトルが虚数軸の正の値の方向へ配置される。抵抗Rsの電圧成分VRS[V]及び電流成分IRS[A]と、漏れインダクタンスLsの電圧成分VLS[V]とは90°の位相角を有する関係となる。ここで、抵抗Rsの電圧成分VRS[V]と漏れインダクタンスLsの電圧成分VLS[A]の合成ベクトルは、インバータ回路3の出力の電圧成分VLR[V]として示される。
　そして、抵抗Rsの電圧成分VRS[V]及び電流成分IRS[A]は、電圧成分VLR[V]に対して位相角θを有することになる。また、実数軸上の電流ベクトルIRS[A]と電圧成分VRS[V]の積が有効電力[W]となり、実数軸上の電流ベクトルIRS[A]と虚数軸上の電圧成分VLS[V]の積が無効電力[Var]となる。無効電力[Var]の存在は、皮相電力[VA]に対する有効電力[W]の割合を低下させるので、有効電力[W]を皮相電力[VA]で除した力率は低下する。力率はX線管の負荷の条件によって異なり、図4(b)と比較して70～90[％]程度に低下する。
　そこで、本実施例では、(3)式のCs[F]の共振キャパシタ9をインバータ回路3と高電圧変圧器4の一次巻線間に直列に接続する。
　図4(d)を用いて、負荷が抵抗Rsと漏れインダクタンスLsと共振キャパシタCsの場合の交流電圧と交流電流の関係を説明する。
　共振キャパシタCsを接続すると、漏れインダクタンスLsのインピーダンスの電圧成分VLS[V]と180°位相角を有する共振キャパシタCsのインピーダンスの電圧成分VCS[V]が生じることとなる。共振キャパシタCsの電圧成分VCS[V]のベクトルは、漏れインダクタンスLsの電圧成分VCP[V]のベクトルとは逆方向の作用を示すものであって、虚数軸の負の値の方向へ配置される。漏れインダクタンスLsの電圧成分VLS[V]のベクトルと共振キャパシタCsの電圧成分VCS[V]とは、逆方向であって互いに打ち消し合うので合成ベクトルは0となり、抵抗の電圧成分VRS[V]のベクトルと抵抗の電流成分IRS[A]のベクトルが残ることになる。その結果、力率は、電圧成分VRS[V]のベクトルと抵抗の電流成分IRS[A]のベクトルの成分で計算されることになり図4(c)において70～90[％]程度に低下した力率が100[％]に改善されることになる。
　なお、力率が100[％]未満であってもX線高電圧装置が許容可能であれば、共振キャパシタCsは(3)式に限定されない。すなわち、共振キャパシタCsが(3)式を満たさない場合であっても、所望の力率以上となるように共振キャパシタCsを設定すれば良い。具体的には、共振キャパシタCsが次に示す(4)式を満たせば良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
ここで、f：インバータ回路3の動作周波数[Hz]
　Ls：高電圧変圧器の漏れインダクタンス[H]
　tanθ：(=(1-cos2θ)0.5/cosθ)
　cosθ：力率
　Rs：負荷の抵抗[Ω]
　Cs：共振キャパシタの容量[F]
　更に、共振インダクタンス5を(1)式で示したように設定し、浮遊容量42と共振インダクタンス5を共振状態にすることで、浮遊容量42による無効電力を低減できる。
　実施例2によれば、実施例1で説明した効果を奏する。
また、実施例2の特有の効果は、X線曝射条件が高管電流で、X線管8のインピーダンスが漏れインダクタンス41のインピーダンスより十分低い場合であっても、漏れインダクタンス41による無効電力を低減できることである。
　また、X線曝射条件が低管電流で、X線管8のインピーダンスが浮遊容量42のインピーダンスより十分高い場合であっても、浮遊容量42によるインバータ回路の出力電力の無効電力を低減することが可能となる。
　これらにより、X線曝射条件の広い範囲で、インバータ回路の出力電力の力率を向上できる。
　実施例3では、インバータ回路3の動作周波数を変化させることにより、浮遊容量による力率低下を改善させる例を説明する。
　実施例3のX線高電圧発生装置は、実施例2の図3に示される。
　実施例3と実施例2の相違点は、インバータ回路3の動作周波数が最小動作周波数から最大動作周波数の間で可変である点である。以下、特に相違点を説明し、同じ点の説明は省略する。
　X線高電圧発生装置は、X線曝射条件によって低管電圧・高管電流から高管電圧・低管電流と、インピーダンスに換算すれば数100kオームから数10Mオームという広い負荷範囲をもっている。力率は、X線曝射条件の負荷とインバータ回路の動作周波数に応じて変化する。このため、インバータ回路3の動作周波数を変化させて高電圧変圧器4の浮遊容量42による無効電力を低減するようにしても良い。
　X線CT装置での断層像を計測するような高い管電流条件下では、高電圧変圧器4の二次巻線と高電圧整流器6の入力端子の間の閉回路に有る浮遊容量42は実施例2で説明したように影響が小さい。そこで管電流が高い場合には、インバータ回路3の負荷に直列になっているインピーダンスを下げるために、インバータ回路3の動作周波数を小さくして、漏れインダクタンス41の影響を小さくする。このとき、(5)式に示すように共振キャパシタ9と漏れインダクタンス41が共振状態であるとインピーダンス低減は尚効果的である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　ここで、fmin：インバータ回路3の最小動作周波数[Hz]
　一方、X線CT装置でのスキャノグラム像を計測するような低い管電流条件下では、高電圧変圧器4の二次巻線と高電圧整流器6の入力端子の間の閉回路に有る浮遊容量42は実施例1で説明したように浮遊容量42の存在を無視できなくなる。管電流が低い場合には、当該閉回路の共振周波数は必然的に高くなり、インバータ回路3の動作周波数を大きくして共振周波数に近付けることで無効電力を低減できる。このとき、(6)式に示すように共振インダクタンス5と浮遊容量42が共振状態であるとインピーダンス低減は尚効果的である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
　ここで、fmax：インバータ回路3の最大動作周波数[Hz]
　以上のように、インバータ回路3の動作周波数を変化させる場合には、共振キャパシタ9は低い動作周波数で漏れインダクタンス41と共振状態とする容量で構成され、共振インダクタンス5は高い動作周波数で浮遊容量42と共振状態となるインダクタンスで構成される。
このとき、共振キャパシタ9と共振インダクタンス5の共振周波数及び、漏れインダクタンス41と浮遊容量42の共振周波数が、インバータ回路3の動作周波数の範囲から除外される値とする。
　実施例3によれば、実施例1及び実施例2で説明した効果を奏する。
　また、実施例3の特有の効果は、インバータ回路3の動作周波数範囲に何れかの共振周波数が含まれないので、インバータ回路3の動作を安定させることができる。
その他実施例
　以上の実施例1～3は、キャパシタやインダクタンスによる回路の共振周波数より、インバータ回路3の動作周波数を高くしてインバータ回路3のスイッチング損失を低減するソフトスイッチング方式でも同様に構成することは容易に提案できる。
　(本願のX線高電圧発生装置のX線CT装置に適用した例)
　図5は実施例1乃至3のX線高電圧装置を用いたX線CT装置の全体構成を示すブロック図である。なお、X線撮影装置はX線CT装置に限らず、X線透視撮影装置等であっても良い。図5に示すようにX線CT装置は、スキャンガントリ部100と操作ユニット120を備える。
　スキャンガントリ部100は、X線管装置101と、回転円盤102と、コリメータ103と、X線検出器106と、データ収集装置107と、寝台装置105と、ガントリ制御装置108と、寝台制御装置109と、X線制御装置110と、高電圧発生装置111を備えている。X線管装置101は寝台装置105上に載置された被検体にX線を照射する装置であって、X線源となる。コリメータ103はX線管装置101から照射されるX線の放射範囲を制限する装置である。回転円盤102は、寝台装置105上に載置された被検体が入る開口部104を備えるとともに、X線管装置101とX線検出器106を搭載し、被検体の周囲を回転するものである。
　X線検出器106は、X線管装置101と対向配置され被検体を透過したX線を検出することにより透過X線の空間的な分布を計測する装置であり、多数の検出素子を回転円盤102の回転方向に1次元に配列したもの、あるいは多数の検出素子を回転円盤102の回転方向と回転軸方向との2次元に配列したものである。データ収集装置107は、X線検出器106で検出されたX線量をデジタルデータとして収集する装置である。ガントリ制御装置108は回転円盤102の回転及び傾斜を制御する装置である。
　寝台制御装置109は、寝台装置105の上下前後左右動を制御する装置である。高電圧発生装置111はX線管装置101に印加される高電圧を発生する装置である。X線制御装置110は、高電圧発生装置111の出力を制御する装置である。高電圧発生装置111は、実施例1乃至3のX線高電圧装置である。
　操作ユニット120は、入力装置121と、画像処理装置122と、表示装置125と、記憶装置123と、システム制御装置124を備えている。入力装置121は、被検体氏名、検査日時、撮影条件等を入力するための装置であり、具体的にはキーボードやポインティングデバイス、タッチパネル等である。画像処理装置122は、データ収集装置107から送出される計測データを演算処理してCT画像の再構成を行う装置である。表示装置125は、画像処理装置122で作成されたCT画像等を表示する装置であり、具体的にはCRT(Cathode-Ray Tube)や液晶ディスプレイ等である。記憶装置123は、データ収集装置107で収集したデータ及び画像処理装置122で作成されたCT画像の画像データ等を記憶する装置であり、具体的にはHDD(Hard Disk Drive)等である。システム制御装置124は、これらの装置及びガントリ制御装置108と寝台制御装置109とX線制御装置110を制御する装置である。
　入力装置121から入力された撮影条件に基づき、X線管装置101に印加される管電圧や管電流を高電圧発生装置111が発生することにより、X線管装置101は撮影条件に応じたX線を被検体に照射する。X線検出器106は、X線管装置101から照射され被検体を透過したX線を多数のX線検出素子で検出し、透過X線の分布を計測する。回転円盤102はガントリ制御装置108により制御され、入力装置121から入力された撮影条件、特に回転速度等に基づいて回転する。寝台装置105は寝台制御装置109によって制御され、入力装置121から入力された撮影条件、特にらせんピッチ等に基づいて動作する。
　X線管装置101からのX線照射とX線検出器106による透過X線分布の計測が回転円盤102の回転とともに繰り返されることにより、様々な角度からの投影データが取得される。投影データは、各角度を表すビュー(View)と、X線検出器106の検出素子番号であるチャネル(ch)番号及び列番号と対応付けられる。取得された様々な角度からの投影データは画像処理装置122に送信される。画像処理装置122は送信された様々な角度からの投影データを逆投影処理することによりCT画像を再構成する。再構成して得られたCT画像は表示装置125に表示される。
　なお、X線CT装置1は、図示されないネットワークを介して、院内のサーバや院外のサーバに接続されていても良く、各サーバから必要なデータを適時読み込んでも良い。
　1　商用周波数の交流電源(商用電源)、2　コンバータ回路、3　インバータ回路、4　高電圧変圧器、5　共振インダクタンス、6　高圧整流回路、7　高圧ケーブル、8　X線管、9　共振キャパシタ、41　漏れインダクタンス、42　浮遊容量

Claims (8)

  1. 　商用周波数の交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、前記コンバータ回路によって変換された直流電圧を商用周波数よりも高い周波数の高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路によって変換された高周波交流電圧を高周波交流高電圧に昇圧する高電圧変圧器と、前記高電圧変圧器によって昇圧された高周波交流高電圧を直流高電圧に整流する高電圧整流器と、前記高電圧整流器によって整流された直流高電圧が供給されるX線管と、前記高電圧整流器の入力端子の間に接続される誘導性負荷と、を備えたことを特徴とX線高電圧装置。
  2. 　前記誘導性負荷は、次式を満たすことを特徴とする請求項1に記載のX線高電圧装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    　ここで、Lp：誘導性負荷のインダクタンス［H］
    　　　　　f：インバータ回路の動作周波数［Hz］
    　　　　　Cp：高電圧変圧器の二次巻線側の浮遊容量［F］
    　　　　　tanθ：(=(1-cos2θ)0.5/cosθ)
    　　　　　cosθ：力率
    　　　　　Rp：X線管の負荷の抵抗[Ω]
  3. 　前記誘導性負荷は、次式を満たすことを特徴とする請求項2に記載のX線高電圧装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
  4. 　前記インバータ回路と前記高電圧変圧器の間に直列に容量性負荷を備えることを特徴とする請求項1に記載のX線高電圧装置。
  5. 　前記容量性負荷は、次式を満たすことを特徴とする請求項4に記載のX線高電圧装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
    　ここで、Cs：容量性負荷の容量［F］
    　　　　　f：インバータ回路の動作周波数［Hz］
    　　　　　Ls：高電圧変圧器の漏れインダクタンス［H］
    　　　　　tanθ：(=(1-cos2θ)0.5/cosθ)
    　　　　　cosθ：力率
    　　　　　Rs：X線管の負荷の抵抗[Ω]
  6. 　前記容量性負荷は、次式を満たすことを特徴とする請求項5に記載のX線高電圧装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
  7. 　前記インバータ回路と前記高電圧変圧器の間に直列に容量性負荷を備え、前記インバータ回路の動作周波数は、前記容量性負荷と前記高電圧変圧器の漏れインダクタンスとの共振周波数と、前記高電圧変圧器の二次巻線側の浮遊容量と前記誘導性負荷との共振周波数とを除外した周波数に設定されることを特徴とする請求項1に記載のX線高電圧装置。
  8. 　被検体にX線を照射し、前記被検体を透過したX線の空間的な分布を計測した結果に基づいて前記被検体のCT画像を再構成するX線CT装置であって、
    　請求項1に記載のX線高電圧装置を備えることを特徴とするX線CT装置。
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